隱藏80年的“馬約拉納粒子”為何現(xiàn)身上海

高博

隱藏80年的“馬約拉納粒子”為何現(xiàn)身上海

高博

其他研究團(tuán)隊(duì)觀測(cè)到馬約拉納費(fèi)米子的依據(jù)，主要是基于其能量為零這一特點(diǎn)。而上海交通大學(xué)賈金鋒團(tuán)隊(duì)不僅研究能量為零，還將注意力放在了馬約拉納費(fèi)米子具有自旋特性這一關(guān)鍵點(diǎn)上，因而研究結(jié)論更有說服力。

2016年6月22日，《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）在線發(fā)表了上海交通大學(xué)賈金鋒團(tuán)隊(duì)的研究報(bào)告，通過獨(dú)特的材料學(xué)方法和探測(cè)儀器，賈金鋒團(tuán)隊(duì)觀察到了馬約拉納費(fèi)米子存在的直接證據(jù)——自旋極化電流現(xiàn)象，這是物理學(xué)家在1937年做出預(yù)言后，實(shí)驗(yàn)室里頭一次確鑿地證實(shí)了存在馬約拉納粒子。

馬約拉納丟了，他的粒子也沒蹤影

1937年，馬約拉納想到，如果是電中性的粒子，反粒子不就是它自己?jiǎn)?？馬約拉納改寫了狄拉克方程，增加了這種中性粒子。

意大利理論物理學(xué)家埃雷托·馬約拉納預(yù)言說，肯定有一種粒子，它和它的反粒子是一樣的?！榜R約拉納粒子”的概念誕生了，它給物理世界增加了很多可能性。

1927年，大學(xué)者狄拉克就提出了反粒子的方程。狄拉克說，反粒子是一個(gè)跟正粒子模樣雷同，卻帶著相反電荷的玩意兒。比如，電子（帶負(fù)電荷）的反粒子是正電子，質(zhì)子的反粒子是反質(zhì)子，中子對(duì)應(yīng)的是反中子（以上都屬于“費(fèi)米子”這個(gè)大家族）。只要粒子和反粒子一碰上……“bang！”，倆人同歸于盡，發(fā)出一道光。

幾年后，狄拉克的理論被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。1937年，馬約拉納想到，如果是電中性的粒子，反粒子不就是它自己?jiǎn)幔狂R約拉納改寫了狄拉克方程，增加了這種中性粒子。他還認(rèn)為中微子可能就屬于這一類。

因?yàn)橛钪嬷械恼戳Ｗ涌偸菍?duì)應(yīng)的，而且撞上就一起完蛋，所以物理學(xué)家奇怪為什么宇宙中會(huì)余出來好多東西。而馬約拉納想到的這種粒子是愿意和平共處的，所以我們不禁想到：說不定宇宙里大多數(shù)物質(zhì)都是馬約拉納粒子組成的呢！

可憐的馬約拉納在1938年，也就是他 32歲時(shí)候莫名其妙地失蹤了。后來，粉絲們?cè)诨貞涍@位神人時(shí)意識(shí)到，他研究物理的短短五年，在許多重大題目上都有閃亮的直覺，提出了不少創(chuàng)意。于是今天還有不少科幻小說或電影以馬約拉納為主角；他還登上了科幻連環(huán)畫冊(cè)，連環(huán)畫里，馬約拉納是被外星人給接走了。

有人在金屬絲上找“馬約拉納粒子”

其他研究團(tuán)隊(duì)觀測(cè)主要是基于其能量為零這一特點(diǎn)，而能量為零并不能完全證明馬約拉納費(fèi)米子存在，這也是為何很多研究團(tuán)隊(duì)的結(jié)論飽受爭(zhēng)議。

各種基本粒子中并沒有馬約拉納費(fèi)米子，而中微子是不是馬約拉納費(fèi)米子，我們也不清楚。要找馬約拉納費(fèi)米子，大家想到去凝聚態(tài)物理找。而在賈金鋒領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)宣布發(fā)現(xiàn)馬約拉納粒子前，美國和荷蘭的兩個(gè)團(tuán)組都曾經(jīng)聲稱發(fā)現(xiàn)了。

比如荷蘭的考文霍夫團(tuán)隊(duì)用一根特殊的金屬納米線連接超導(dǎo)體電路，再暴露于磁場(chǎng)。測(cè)量納米線的導(dǎo)電率，結(jié)果是在電壓為零時(shí)，導(dǎo)電率出現(xiàn)了一個(gè)峰值，科學(xué)家猜測(cè)，納米線同超導(dǎo)體接觸區(qū)域的兩端各有一個(gè)馬約拉納粒子。他們改變磁場(chǎng)方位，檢查峰值的到來和離開，與馬約拉納粒子出現(xiàn)預(yù)計(jì)的情況一樣。

而普林斯頓大學(xué)研究者則用一根長(zhǎng)鐵絲接觸極冷的鉛，在超導(dǎo)態(tài)下探測(cè)到了鐵絲兩端的中性信號(hào)，認(rèn)為這就是馬約拉納粒子。

但以上結(jié)果卻被權(quán)威質(zhì)疑。賈金鋒說，其他研究團(tuán)隊(duì)對(duì)于觀測(cè)到馬約拉納費(fèi)米子的依據(jù)，主要是基于其能量為零這一特點(diǎn)。而能量為零并不能完全證明馬約拉納費(fèi)米子存在，這也是為何很多研究團(tuán)隊(duì)的結(jié)論飽受爭(zhēng)議。賈金鋒團(tuán)隊(duì)不僅研究能量為零這一特殊性質(zhì)，還將注意力放在了馬約拉納費(fèi)米子具有自旋特性這一關(guān)鍵點(diǎn)上。而自旋特性不受環(huán)境因素影響，是粒子本身的性質(zhì)，因而研究結(jié)論有說服力。

對(duì)于賈金鋒團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)，《Physical Review Letters》的審稿人及來自麻省理工學(xué)院的專家帕特里克·李和傅亮都表示，該結(jié)果是目前最令人信服的證據(jù)。

超導(dǎo)體擱上邊不行？那就反過來

上海交通大學(xué)的團(tuán)隊(duì)反過來探索，把超導(dǎo)材料放在下面，上面“生長(zhǎng)”出拓?fù)浣^緣體薄膜，這樣巧妙的設(shè)計(jì)為尋找馬約拉納費(fèi)米子奠定了材料基礎(chǔ)。

“理論預(yù)言，在拓?fù)浣^緣體上面放置超導(dǎo)材料，就能實(shí)現(xiàn)拓?fù)涑瑢?dǎo)。”賈金鋒說，“這件事情聽起來容易，但在材料科學(xué)領(lǐng)域卻是一大難題。而且，由于在上方超導(dǎo)材料的覆蓋，馬約拉納費(fèi)米子很難被探測(cè)到。”

若干次實(shí)驗(yàn)后，上海交通大學(xué)的團(tuán)隊(duì)反過來探索，把超導(dǎo)材料放在下面，上面“生長(zhǎng)”出拓?fù)浣^緣體薄膜，好讓拓?fù)浣^緣體薄膜的表面變成拓?fù)涑瑢?dǎo)體，這樣巧妙的設(shè)計(jì)為尋找馬約拉納費(fèi)米子奠定了材料基礎(chǔ)。

賈金鋒說，把材料生長(zhǎng)最好的設(shè)備和表征能力最強(qiáng)的儀器相結(jié)合是一大創(chuàng)新，“薛其坤院士團(tuán)隊(duì)和我們交大團(tuán)隊(duì)在薄膜生長(zhǎng)的精確控制方面早已是世界領(lǐng)先。正因?yàn)槿绱耍覀儾庞心芰θパ芯窟@個(gè)項(xiàng)目。”

另外一個(gè)創(chuàng)新，賈金鋒說是“首次用最簡(jiǎn)單的辦法創(chuàng)造出這個(gè)自然界沒有的拓?fù)涑瑢?dǎo)體來，這個(gè)拓?fù)涑瑢?dǎo)體為我們提供了獨(dú)一無二的材料體系，使得我們能夠用各種先進(jìn)的技術(shù)辦法對(duì)普通超導(dǎo)體和拓?fù)涑瑢?dǎo)體進(jìn)行觀察、研究，比較，尋找差異，從而找到馬約拉納費(fèi)米子的各種跡象?！?/p>

“馬約拉納粒子”：量子計(jì)算機(jī)的合適單元

馬約拉納費(fèi)米子呈電中性，很少與環(huán)境相互作用，這些屬性使它成為一種理想的量子信息編碼載體。

馬約拉納費(fèi)米子受人關(guān)注的一大原因，是因?yàn)樗侵圃炝孔佑?jì)算機(jī)的完美選擇之一。

普通計(jì)算機(jī)內(nèi)的信息被存儲(chǔ)在“位”內(nèi)，每一位都被編碼成0或1；量子計(jì)算機(jī)內(nèi)的信息位可同時(shí)以0和 1存在，但這種疊加狀態(tài)非常脆弱。為此，物理學(xué)家們一直在尋找使量子位更穩(wěn)定的方法。馬約拉納費(fèi)米子呈電中性，很少與環(huán)境相互作用，這些屬性使它成為一種理想的量子信息編碼載體。

而另一方面，人們不會(huì)因?yàn)槟蹜B(tài)物理中的成功而停止尋找宇宙中的馬約拉納粒子。準(zhǔn)確地講，超導(dǎo)體中探測(cè)出的馬約拉納粒子是一種準(zhǔn)粒子。賈金鋒說，那實(shí)際是一個(gè)粒子群體，好比一支風(fēng)格統(tǒng)一的足球隊(duì)。

而宇宙學(xué)家尋找的馬約拉納粒子，是“中性超對(duì)稱費(fèi)米子”，你可以把它理解為一種大號(hào)的中微子，許多人認(rèn)為它可能就是宇宙中看不見摸不著卻有質(zhì)量的暗物質(zhì)。中國未來建立的中微子偵測(cè)大型設(shè)備，或許能為搞清這一點(diǎn)做出貢獻(xiàn)。?

（摘自《科技日?qǐng)?bào)》2016年7月14日5版）